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弹簧的设计和采购注意事项

2022-01-07

弹簧无处不在,从珠宝扣到大型工业机器人。刚毕业的机械工程师在毕业的第一年内遇到他或她的第一个弹簧设计问题的概率不是100%,但相当高。


大多数情况下,在原型阶段直接制作定制弹簧是不现实的。我们推荐一种方法,从需求收集开始,找到最接近的库存弹簧,最后在生产中创建定制弹簧。请继续阅读此方法每个阶段的注意事项。


负载条件


识别负载条件是每个弹簧应用问题的起点。有四个主要考虑因素。


1. 载荷类型:是压缩、拉伸还是扭转?


所有弹簧,无论是盘绕的还是扁平的,都以以下三种方式之一工作。但是,对于应该使用哪种类型,有一些灵活性。我们已经看到压缩弹簧和拉伸弹簧在扭力弹簧可能是更明显选择的情况下工作。例如,X-box控制器在触发按钮中使用扭力弹簧进行回弹,但最新的任天堂开关操纵手柄使用两个压缩弹簧代替。


2. 最大挠度(行程)


知道最大挠度会在几何上缩小弹簧选择的范围。


在压缩弹簧中,最大挠度必须小于弹簧自由长度(未压缩)与其实体长度(完全压缩)之间的差值。必须预加载弹簧,使其初始位置短于自由长度。


延长弹簧的额定工作长度为最大工作长度,超过该长度后,弹簧有永久变形的风险。最大行程必须小于延伸弹簧的实心长度(未延伸)与其最大安全工作长度之间的差值。必须预加载弹簧,以便安装时弹簧比其实心长度长。


3. 最大负载,或所需负载


有时,我们会被赋予弹簧必须承受的载荷,而不会被完全压缩或延伸到不安全的长度,例如为蹦床选择弹簧。


其他时候,我们会根据用户的感觉来选择弹簧,比如为夹子选择一个扭转弹簧。了解负载或响应有助于我们确定弹簧速率。


4. 所需的负载:恒定速率、恒定力还是可变速率?


这决定了我们将使用哪种类型的弹簧:恒定直径的圆柱形螺旋拉伸弹簧与时钟弹簧。


材料考虑


为您的弹簧选择材料取决于负载条件和操作环境。


在螺旋弹簧中,我们最关心的是材料的刚度模量或剪切模量(G),而在平板弹簧中,弹性模量或杨氏模量(E)更重要。这些属性会影响弹簧速率。


高循环频率应用要求材料具有良好的抗疲劳性,如音乐线。当负载为间歇性负载时,可接受成本较低的选项,如硬拉钢丝。


工作环境对弹簧材料的选择有很大影响。环境的温度、湿度和腐蚀性会限制材料的选择。正如预期的那样,304和17-4PH等不锈钢丝具有很强的耐腐蚀性,但冷拔钢丝则没有。然而,表面处理也可以提高耐腐蚀性,这可能比在较大尺寸的弹簧中使用成本较高的材料更经济。


每种金属都有一个最高工作温度额定值。大多数钢丝不能在高于300°F的温度下使用,这就是诸如铬镍铁合金等外来金属的来源。


我们发现在电气应用中有相当数量的弹簧触点。铍铜由于其优异的导电性,往往用于这些应用中。然而,它们并不意味着要循环加载。


安装要求


每种类型的弹簧,无论是拉伸、压缩、扭转还是其他,都可以在各种端部条件下使用。


压缩弹簧有四种基本类型的端部。开放、不接地端的成本最低,但接地端的稳定性更好。


拉伸弹簧的两端往往都有钩子或孔眼,但钩子也可以由不同的材料制成并连接。全环、半环和末端钩过中心样式是最常见的现成末端条件。


扭转弹簧的端部条件基于支腿的长度和它们之间的角度。以下是基本类型的图示。


库存弹簧只是最流行的配置,但如果与弹簧配合的零件是定制的,那么您仍然有很大的灵活性。弹簧供应商可以轻松地批量提供定制的最终条件。


为原型设计选择弹簧


通常可以按几何图形、荷载条件和材质进行搜索。我喜欢先按最大挠度和最大载荷进行过滤,因为它们不太容易协商。


从原型到生产


弹簧制造很像CNC铣削或CNC车削。对于螺旋螺旋弹簧的生产,弹簧供应商需要满足几何要求,如钢丝直径、平均线圈直径、线圈数量和端部条件,将所有这些转化为CNC线成形机的程序,然后对弹簧进行盘绕和热处理。大多数弹簧供应商也可以根据关键要求设计弹簧。


与其他类型的CNC加工类似,设置成本高,而单位生产成本低;这就是为什么经济订单数量从几百个单位开始。


因此,在原型设计过程中,工程师通常会选择与其需求紧密匹配的库存弹簧,然后对定制设计进行微调,以实现大规模生产。这样,您就可以精确地获得所需的端部条件、弹簧刚度和公差。


必须注意钢丝直径与平均线圈直径的比率。该比率d/D称为“弹簧指数”。弹簧指数越小,制造弹簧就越困难,单位成本也会相应增加。弹簧指数在5到10之间,是一个简单、经济的弹簧。


主要要点


当您的设计需要弹簧时,首先确定载荷条件。在原型设计中,最好从现成的弹簧开始。使用“最大挠度”和“最大载荷”作为起点来过滤库存弹簧目录中的弹簧,然后使用“弹簧速率”或其他几何约束缩小选择范围。当您准备投入生产时,请与弹簧供应商合作,根据您的具体规格对设计进行微调。

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